Ректификация. Ректификационные колонны и установки

Ректификация - метод разделения смеси жидкостей на чистые фракции благодаря последовательному многократному испарению жидкой фазы и конденсации паров в двух встречных потоках - ниспадающей жидкости и восходящих паров. Каждая фракция содержит вещества с одинаковой температурой кипения. При контакте паров с жидкостью в первую очередь из нее испаряются вещества с более низкой температурой кипения (более низкокипящие), а из пара конденсируются с более высокой температурой кипения (более высококипящие).

Устройство на котором происходит взаимодействие паров и жидкости, так и называется — контактное устройство. В простейшем случае — это тарелка. Жидкость, накапливаясь на тарелке, обогащаясь высококипящими фракциями, стекает под действием силы тяжести вниз. В свою очередь пар, обогащаясь низкокипящими фракциями, устремляется вверх. Если имеется несколько последовательных контактных устройств (тарелок друг над другом), при таком последовательном многократном массообмене более низкокипящие фракции поднимаются, как бы всплывая вверх, а высококипящие фракции опускаются вниз. Стоит обратить внимание, поднимаются не более легкие по весу вещества, а более легкокипящие, то есть, с более низкой температурой кипения. При этом наблюдается градиент температуры по высоте: внизу она выше, а с высотой понижается.

В идеале жидкость и пар на тарелке должны находиться в состоянии равновесия. При этом, количество вещества в жидкости и в паре различно. Максимально теоретически возможная разница концентраций компонентов в паре и жидкости при заданных условиях соответствует понятию «теоретическая тарелка». Физическая тарелка в отличие от теоретической имеет КПД отличный от 100 % и он составляет на практике порядка 50 %. Чем меньше разница температур кипения фракций, тем больше требуется теоретических тарелок и их физических аналогов для качественного разделения смесей.

Поток паров снизу в верх обеспечивается подачей в самую нижнюю зону тепла, достаточного для кипения исходной смеси. Следует подчеркнуть, для эффективной ректификации необходим так же постоянный встречный поток жидкости сверху. Это условие должно соблюдаться по всему объему процесса.

Процесс ректификации, как видно из сказанного, проще всего организовать в вертикальных колоннах, получивших название ректификационных. Ректификационные колонны применяется как в относительно простых лабораторных установках, так и в сложных промышленных агрегатах нефтехимической, химической, газовой, легкой, пищевой, фармацевтической и других отраслей промышленности. В зависимости от назначения колонны имеют размеры в диаметре и по высоте от нескольких сантиметров до нескольких метров и даже десятков метров. Соответственно изготавливаются колонны из стекла, керамики, металла. В зависимости от агрессивности разделяемых веществ, их температур кипения, требований по чистоте, технологии и прочих характеристики материалов уточняются и учитываются.

Для осуществления эффективного многократного массообмена между жидкостью и парами требуется обеспечить достаточную площадь контакта и ее «распределение» по вертикали. С этой целю в ректификационной колонне либо устанавливается большое число горизонтальных тарелок друг над другом, либо весь объем колонны заполняется насадкой. Соответственно, конструкция ректификационной колонны в первом случае тарельчатая, а во втором — насадочная.

Насадка представляет собой высоко пористую структуру, как бы дробящую объем колонны на огромное число связанных между собой, не изолированных ячеек, что позволяет на порядки увеличить площадь поверхности в заданном объеме. Соответственно увеличивается площадь контакта между паром и жидкостью. По естественным каналам жидкость и пар могут достаточно свободно перемещаться, эффективно взаимодействуя между собой. Сопротивление перемещению пара характеризует пропускная способность насадки, которое будет влиять на производительность колонны.

В свою очередь, насадка может быть регулярная со строго повторяющейся структурой и нерегулярная. В обоих случаях поверхность насадки дополнительно подвергается специальной обработке для развития ее поверхности. Это приводит к увеличению эффективности массообмена на ней. Регулярная насадка выполняется из листового материала, рифленого, перфорированного и упакованного определенным способом, чтобы плотно соприкасаться со стенками колонны. Нерегулярная насадка изготовляется из самых разных материалов и представляет из себя засыпку из элементов одинаковой формы и размера. Это могут быть кольца, цилиндры, полые призмы и т. д.

Ректификационная колонна с дополнительными функциональными элементами такими как испаритель, конденсаторы, теплообменники, дозирующие и вакуумные насосы, накопительные и буферные емкости, системы мониторинга и управления, а так же трубопроводная арматура составляют в целом ректификационную установку.

Испаритель (куб), в котором кипит смесь жидкостей за счет подвода внешнего тепла находится снизу ректификационной колонны. В кубе так же накапливается кубовый продукт - самые высоко кипящие не испарившиеся фракции.

Конденсатор располагается, как правило, наверху колонны. Пары, достигшие верха колонны поступают в конденсатор, охлаждаются и конденсируются. После этого часть конденсата, называемая флегмой, возвращается на самую верхнюю тарелку колонны. Это обеспечивает выполнение условия по потоку жидкости сверху. Другая часть конденсата, называемая дистиллятом, отводиться в накопитель. Для управления процессом ректификации отношение количества флегмы к дистилляту, называемое флегмовым числом или коэффициентом орошения, может регулироваться.

По принципу действия ректификационные установки разделяются на периодические и непрерывные. В установках непрерывного действия исходная смесь поступает в колонну и продукты разделения выводятся из неё непрерывно. Подогретая смесь поступает на питающую тарелку колонны и частично испаряется. Паровая фаза движется вверх, а не испарившаяся смешивается с флегмой и стекает вниз. Часть колонны, расположенная выше питающей тарелки называется укрепляющей, так как в ней паровая фаза укрепляется легкими фракциями. Часть колонны, находящаяся ниже питающей тарелки называется исчерпывающей, так как в ней из стекающей вниз флегмы отгоняются (исчерпываются) оставшиеся легкие фракции.

В ректификационных установках периодического действия разделяемую смесь загружают в куб однократно и процесс разделения проводят до получения продуктов заданного конечного состава. Колонны периодического действия применяют на установках малой производительности при необходимости отбора большого числа фракций и получения высокой степени разделения.

Процесс ректификации может осуществляться при атмосферном давлении или под вакуумом. Это позволяет производить разгонку при пониженной температуре. В основном ректификация осуществляется при давлении близком к атмосферному. Вакуумной ректификации подвергают смеси веществ склонных при высоких температурах к термическому распаду или полимеризации. Вакуумная ректификация применяется так же как метод для разделения азеотропных смесей.

Для оптимального построения технологического процесса ректификации на предприятиях применяются различные отработанные технические решения, позволяющие получать продукцию по минимальной стоимости.

Ректификация — процесс, требующий особо точного соблюдения технологии. В производственных условиях любое его нарушение приводит к колоссальным потерям времени, энергоресурсов и выпуску некачественной продукции. Немаловажный фактор — обеспечение безопасности производства. Именно поэтому, в современных ректификационных установках требования к системам мониторинга и автоматического управления достаточно высоки.

Технологию промышленной ректификации можно посмотреть на демонстрационном видео

Компания "Мида" занимается поставками ректификационного оборудования. 

Специалисты нашей компании:

• Помогут Вам выбрать необходимую типовую ректификационную установку под свой продукт;
• Определят необходимую конфигурацию и исполнение оборудования;
• Предоставят коммерческое предложение на поставку комплекта оборудования;
• Осуществят услуги по шеф-монтажу, наладке и запуску ректификационной установки на вашем производстве.

• Испытаем ваш продукт у нас в лаборатории;
• Составим технико-коммерческое обоснование применения ректификации на вашем предприятии для восстановления и повторного использования технологических материалов;
• Разработаем эскизный проект специализированной ректификационной установки.

Получить дополнительную информацию  и  заказать оборудование можно, обратившись к менеджерам по телефону +7 (495) 145-06-01 или электронной почте info@mida.ru.

Ректификационное оборудование